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本科生设计（论文）

目：声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析 名： 院： 海洋港口学院 业：12机械制造及其自动化（港口）（师范） 号：

师： 丁红星

声子晶体在机械振动和噪声中的应用浅析

一、 绪论

1.1课题背景

现代社会对噪声防治和处理的各种要求，促进了当代噪声控制工程技术的迅猛发展。

工程中对噪声进行处理最常用而有效的技术措施就是安装适当的隔声材料。因此，对隔声材料进行开发研究具有十分重要的意义。

声子晶体是一种新型隔声材料，存在弹性波禁带，落在禁带范围内的弹性波在声子晶体中传播时会强烈的衰减，其衰减程度远远大于质量密度定理的预测值。因此声子晶体在噪声与振动的控制方面有着巨大的潜力。本文以声子晶体在中低频隔声的实际应用为切入点，针对布拉格散（Bragg）射型声子晶体和局域共振声子晶体，系统地研究其禁带的产生以及影响禁带特性的各种因素，通过有限元仿真与实验验证完成声子晶体在隔声功能上的应用尝试。

声子晶体复合材料的自身特性决定了其带隙影响因素的多样性，因此有必要对其带隙的影响因素进行全面的研究分析，通过对各个参数对带隙的影响情况的分析来判断声子晶体在中低频范围内隔声应用的可行性，为下一步的仿真计算和实验验证中声子晶体各参数的选择提供理论依据。

传统的隔声材料种类繁多，从定义上讲所有的对声波有阻隔作用的材料都可以称为隔声材料，实际的隔声工程实施中经常采用的隔声材料有各种金属板、石膏板、木板以及复合板材。由于它们大多都属于均匀介质结构，其隔声量都遵循质量密度定理，即材料的隔声性能与面密度有关，面密度增加一倍隔声量将会增大 6 分贝。因此要获得较好的隔声效果就必须要增加隔声材料的密度。然而在实际的应用当中，增加隔声材料密度会带来施工成本以及施工难度的急剧增大，这也限制了传统隔声材料的应用范围。因此工程应用当中对新型轻质隔声材料的需求非常迫切。

声子晶体材料是近几十年研究状况非常热门的一种新型功能性隔声材料，其本质是

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一种对弹性波传播存在禁带的、结构排列或材料选择具有周期性特点的复合材料，其概念的提出只有二十多年的历史，命名借鉴了光子晶体的命名方式。声子晶体引人注目的重要特征为其存在弹性波禁带，落在禁带分布范围内的弹性波在声子晶体中传播时会强烈的衰减，其衰减程度远远大于质量密度定理的预测值。而在其它频率范围（通带）的弹性波由于声子晶体的色散特性则不会出现很明显的衰减；当声子晶体结构不再严格的呈现周期性或对称性时，其禁带频率范围内的弹性波将会在出现变化或缺陷的位置处产生局域态现象，或其传播方向将会与缺陷方向吻合。因此，声子晶体对于弹性波的运动状态可以起人工的调控作用。近年来,大量的实验和理论研究已经开展。声子晶体除了用于声音滤波和转换外，还提供了研究弹性波大量的物理效应的可能性，例如局部波、隧道效应以及负折射效应。

二、机械振动与噪声及其控制与利用

2.1机械振动的危害与应用

机械振动在机械行业既有有利的一面，同时，也有着有害的一面。对于有利的一面，我们要予以利用；对于对人类有害的部分，我们要尽量减小，甚至避免。

在机械工业和其它工业部门存在着难以计数的有害振动问题，这些问题常会引起巨大的损失，给人类的生产、生活带来难以想象的问题。以振动工程的理论、技术和方法来研究与解决这些问题，是当务之急。

当振动量超过允许的范围，振动会加剧，影响机器零件的工作性能，使机器的零部件产生附加动载荷，减小零件的寿命。

对于大型、高速回转的机械，因动态失稳而造成的重大恶性事故，已经发生数次。大型发电机机组由于急剧上升的振动可在几十秒钟之造成彻底解体，造成大量损失。甚至国外某些核电站发生事故就是由于这种原因造成的。

在生产制造过程中，由于机械振动现象的存在，使生产出来的产品无法达到所要求的精度，造成大量的经济损失。

大型工程结构因振动而引起的事故也时有发生。历史上发生过由于正步行进造成共振现象使桥发生坍塌现象。近代还发生过大型桥梁或冷却塔因“风激振动”而断裂、倒

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